بال اسکرو | نحوه عملکرد و اجزای آن | مقایسه با لیداسکرو

بال اسکرو (Ball Screw) یک محرک خطی مکانیکی است که حرکت چرخشی را با اصطکاک کم به حرکت خطی تبدیل می کند. بال اسکرو به طور جداگانه توسط آقای H.M. Stevenson و آقای D. Glenn در سال 1898 اختراع شد.

 در بال اسکرو یک شفت رزوه شده، مسیری مارپیچ را برای ساچمه هایی که عملکردی شبیه به بلبرینگ دارد ایجاد می کند و کل مجموعه مانند یک پیچ دقیق عمل می کند. علاوه بر اینکه قادر به اعمال یا تحمل بارهای زیاد هستند، این کار را با حداقل اصطکاک داخلی انجام می دهند. آنها با تلرانس های کم ساخته شده اند و بنابراین برای استفاده در شرایطی که دقت بالایی لازم است مناسب هستند. مجموعه ی ساچمه ها به عنوان مهره عمل می کند در حالی که شفت رزوه شده در حکم یک پیچ است. بر خلاف لید اسکروهای معمولی، بال‌اسکروها به دلیل نیاز به مکانیزمی برای چرخش ساچمه ها، نسبتاً حجیم هستند.

نوع دیگری از بال اسکرو وجود دارد که شفت مرکزی بدون رزوه است و به آن Rolling Ring Drive نیز گفته می شود. در این طرح، سه (یا تعدادی بیشتر) بلبرینگ به طور متقارن در محفظه ای قرار گرفته اند که یک میله یا شفت صاف (بدون رزوه) را احاطه کرده است. یاتاقان ها در یک زاویه نسبت به میله تنظیم می شوند و این زاویه جهت و سرعت حرکت خطی در هر دور چرخش میله را تعیین می کند. مزیت این طرح نسبت به بالاسکرو معمولی یا لیداسکرو، حذف عملی لقی و بارگذاری ناشی از مهره های پیش بارگذاری است.

جالب است بدانید در تلسکوپ فضایی جیمز وب از یک بال اسکرو برای گسترش ساختار برج قابل توسعه (DTA) استفاده می شود. در این مقاله از سایت کافه مکانیک با ما همراه باشید تا بال اسکرو و اجزای آن را بیشتر بشناسیم.

نحوه عملکرد و اجزای بال اسکرو

عنصر منحصر به فرد بال اسکروها ساچمه های غلتشی در شیار مارپیچ است که تماس مکانیکی داخل مجموعه پیچ را کاهش می دهد و اصطکاک غلتشی را جایگزین اصطکاک لغزشی می کند. این مکانیسم به طور قابل توجهی اصطکاک ایجاد شده را کاهش می دهد که منجر به انتقال توان بسیار کارآمد می شود.  اجزای اصلی بال اسکروها شامل شفت پیچ، مهره و بلبرینگ ها (یا ساچمه ها) هستند. در مورد مشخصات مهم آنها و تأثیر آنها بر عملکرد بال اسکرو در ادامه بحث خواهیم کرد.

شفت پیچ

شفت جزئی از بال اسکرو است که برای چرخش حول محور خود نیروی چرخشی دریافت می کند. سپس این به حرکت خطی تبدیل می شود. قدرت چرخش شفت توسط موتوری که در انتهای آن قرار دارد تامین می شود. شفت یک محور استوانه ای بلند است که دارای یک شیار پیوسته به نام شیار ساچمه ای است که به صورت مارپیچ در اطراف طول محور خود قرار دارد که به آن رزوه پیچ می گویند.

شیار ساچمه ای به عنوان مسیری برای حرکت و غلتش ساچمه ها عمل می کند. پروفیل شیار ساچمه ای بال اسکرو ممکن است یک قوس نیم دایره ای یا یک قوس گوتیک باشد. پروفیل قوس نیمه دایره ای از یک قوس منفرد تشکیل شده است، در حالی که پروفیل قوس گوتیک از دو قوس تشکیل شده است. این دو پروفیل شیار در نقاط تماسی که ساچمه ها لمس می کنند با یکدیگر متفاوت هستند.

اگر شیارها در جهت عقربه های ساعت در اطراف محور پیچ و شیب به سمت راست کشیده شود، بال اسکرو به عنوان بال اسکرو راستگرد شناخته می شود. اگر شیار در خلاف جهت عقربه‌های ساعت حرکت کند و به سمت چپ متمایل شود، یک بال اسکرو چپگرد است.

مشخصات شفت پیچ

قطر اسمی (Nominal Diameter):

قطر اسمی حداکثر قطر شفت بدون احتساب بلبرینگ است.

قطر دایره ساچمه ها (Ball Circle Diameter)

قطر دایره ساچمه ای (یا قطر دایره گام) فاصله مرکز تا مرکز دو گوی متقابل است که زمانی که بلبرینگ ها با شیارها تماس دارند اندازه گیری می شود.

قطر ریشه (Root Diameter)

قطر ریشه فاصله بین پایین ترین بخش شیار تا پایین ترین بخش شیار مقابل است. این پارامتر در واقع نشان دهنده ی حداقل قطر شفت پیچ است.

قطر اسمی، قطر دایره گام و قطر ریشه در محاسبه ویژگی های کاربردی و انتخاب بال اسکرو استفاده می شود.

گام (Pitch)

گام فاصله محوری بین دو رزوه مجاور است.

پیشروی (Lead)

پیشروی فاصله خطی در امتداد محور پیچ است که با یک چرخش کامل (360 درجه) ایجاد می شود. این پارامتر یکی از مهمترین مشخصات بال اسکرو است که میزان حرکت خطی، سرعت و ظرفیت بار را تعیین می کند.

با افزایش پیشروی بال اسکروها، میزان حرکت خطی و سرعت افزایش می یابد اما تعداد گوی های قرار گرفته در اطراف محور پیچ کاهش یافته و در نتیجه ظرفیت بار نیز کاهش می یابد.

استارت یا تعداد راه (Start)

استارت یا تعداد راه، نشان دهنده ی تعداد مارپیچ های مستقلی است که در اطراف محور پیچ قرار دارند. پیچ ها معمولا یک، دو یا چهار راهه هستند. پیشروی یک پیچ معادل تعداد راه ضرب در گام است. پیچ های تک شروع رایج ترین هستند. در این نوع پیچ، پیشروی معادل گام است.

پیچ‌های چندراهه زمانی استفاده می‌شوند که یک حرکت خطی سریع با تعداد چرخش‌های کمتر و پیچ‌هایی با ظرفیت بار بالاتر نیاز باشد. به عنوان مثال، در پیچ های دوراهه، پیشروی معادل دو برابر گام خود است. تعداد شروع یا تعداد راه بیشتر، مسافت خطی بیشتری را در یک دور طی می کند.

مهره بال اسکرو

مهره بال اسکرو سیلندری است که بلبرینگ و سیستم گردش ساچمه ها را در خود جای داده است. شیارهای ساچمه ها در قسمت داخلی مهره وجود دارد که با شیارهای شفت مطابقت دارد.

مشخصات مهره

مدار گردش ساچمه ها

مدار به مسیر بسته در سیستم چرخش ساچمه ها در مهره اشاره دارد. مهره هایی با مدار چندگانه، دو یا چند مسیر بسته ی مستقل دارند. آنها نسبت به مهره های تک مدار، قادر به حمل بارهای سنگین تر هستند.

سیستم گردش مجدد در مهره به ساچمه ها اجازه می دهد تا عملیات بازگرداندن آنها به نقطه شروع خود در مدار امکان پذیر شود. لوله های برگشتی و کلاهک های انتهایی وسایلی هستند که برای برگرداندن توپ به موقعیت اولیه استفاده می شوند.

بلبرینگ

بلبرینگ ها یا ساچمه ها برجسته ترین جزء بال اسکروها هستند که بین فاصله مهره و شفت حرکت می کنند. آنها وظیفه کاهش اصطکاک ایجاد شده بین مهره و پیچ را بر عهده دارند. اگر ساچمه ها وجود نداشته باشند، این اصطکاک بسیار زیاد خواهد بود. این ساچمه ها معمولاً از فولاد ساخته می شوند.

ساچمه ها با شفت و شیار مهره در تماس هستند. نقاط تماس توپ بین شفت و مهره متناسب با نوع شیار روی شفت و مهره مشخص می شود. پروفیل های شیار رایج عبارتند از قوس گوتیک و قوس دایره ای:

پروفیل قوس گوتیک (Gothic)

این نوع شیار رایج ترین پروفیل شیار در بال اسکرو است که توسط دو قوس متقاطع ساخته شده است. با این پروفیل، ساچمه ها دارای دو نقطه تماس در شفت و دو نقطه تماس روی مهره است.

پروفیل قوس نیمه دایره ای

این پروفیل شیار به شکل نیم دایره است. با این پروفیل، توپ دارای یک نقطه تماس در شفت و یک نقطه تماس روی مهره است.

شعاع قوس در هر دو پروفیل از شعاع ساچمه ها کمی بزرگتر است. با این طراحی، فاصله بین ساچمه ها با یکدیگر و همچنین فاصله ساچمه ها با مهره اجتناب ناپذیر است. این موضوع باعث ایجاد لقی می شود. با پیش بارگذاری بال اسکرو می توان از آن جلوگیری کرد.

مزایا و معایب بال اسکرو

مزایای بال اسکرو

• بسیار کارآمد: به گشتاور کمتری نیاز دارند و بنابراین فضای کلی مجموعه را کاهش می دهند.
• بسیار دقیق: این بدان معناست که آنها می توانند دقت موقعیتی بالا و همچنین تکرارپذیری را ارائه دهند که در اکثر کاربردها مطلوب است.
• اصطکاک کم: این به آنها امکان می دهد در دمای پایین تری نسبت به سایر گزینه ها کار کنند.
• تنظیمات: آنها را می توان تنظیم کرد تا بتوان پیش بار را افزایش یا کاهش داد.
• عمر طولانی: نیاز به تعویض در مقایسه با سایر جایگزین ها کمتر است.

معایب بال اسکرو

• نیاز به سیستم ترمز
• نیاز به روغن کاری گریس یا روغن دارد
• نداشتن خاصیت خودقفلی
• نسبت به لیداسکرو مقاومت کمتری در برابر ضربه دارد
• هزینه بالا

کاربردهای بال اسکرو

• دستگاه های CNC
• ماشین آلات
• رباتیک
• ماشین های فرز
• تجهیزات صنایع مواد غذایی
• تجهیزات مونتاژ با دقت بالا
• ربات های صنعتی مورد استفاده در تولید
• تجهیزات تولید نیمه هادی

دقت پیشروی بال اسکرو

یک بال اسکرو بسیار دقیق دارای حداقل خطای پیشروی است. خطای پیشروی تفاوت بین فاصله نظری و واقعی است که مهره در هنگام چرخش شفت طی کرده است. مقدار این خطا به دقت ساخت شیارهای ساچمه ها، فشردگی و دقت تنظیم مجموعه بستگی دارد.

پیش بار، روانکاری و افزایش دقت نصب تکنیک هایی هستند که برای افزایش دقت پیشروی بال اسکروها استفاده می شوند.

پیش بار

پیش بارگذاری عبارت است از اعمال نیروی محوری بر روی ساچمه ها و شیارهای شفت و مهره برای فشرده سازی آنها. هدف از پیش بارگذاری افزایش استحکام و از بین بردن لقی مجموعه بال اسکرو است. لقی میزان حرکت از دست رفته ناشی از فاصله بین ساچمه ها و شیارهای مهره و پیچ است که می تواند دقت و تکرارپذیری را برای کاربردهای موقعیت یابی دقیق مختل کند.

مکانیسم پیش بارگذاری تعیین می کند که بال اسکرو دارای مهره تک یا دوتایی باشد. مکانیسم های پیش بارگذاری که معمولاً در مجموعه های بال اسکرو استفاده می شود به شرح زیر است:

پیش بار با اسپیسر

در پیش بارگذاری با اسپیسر، یک اسپیسر بین دو مهره قرار می گیرد تا به پیش بارگذاری مورد نظر برسد. اسپیسر نیرویی را به دو طرف مجاور دو مهره اعمال می کند. این نیرو به مهره و شیارها منتقل می شود. این روش برای تنظیم پیش بارگذاری بزرگ استفاده می شود.

پیش بار فنری

در پیش بارگذاری فنری، یک فنر بین دو مهره قرار می گیرد که پیش بار را ایجاد می کند. نیروهای کششی در دو طرف مهره ها به دلیل نیروی فنر اعمال می شود.

پیش بار با آفست پیشروی

در حین ماشینکاری، برای ایجاد شیارها، یک افست در پیشروی ایجاد می شود که در وسط مدار گردش ساچمه ها قرار دارد. از آنجایی که در این روش نیازی به اسپیسر یا فنر نیست، فشرده تر از مکانیزم های دو مهره است. با این حال، این مکانیسم پیش بارگذاری، پیشروی های طولانی تری ایجاد می کند، که ظرفیت بارگذاری بال اسکرو را کاهش می دهد.

پیش بار با ساچمه های بزرگ تر

در این روش پیش بارگذاری با مونتاژ بلبرینگ های بزرگتر اعمال می شود. ساچمه های بزرگ با افزایش سطح تماس با شیارها ساختار فشرده تری ایجاد می کنند. با این حال، این مکانیسم پیش بار کمی را تولید می کند و در کاربردهایی که دقت آنچنان مهم نیست، مناسب است.

بهینه سازی مقدار پیش بارگذاری در بال اسکروها و حفظ آن در طول عملیات بسیار مهم است. یک پیش بار بزرگ به گشتاور بیشتری نیاز دارد و می تواند باعث تولید گرمای بیش از حد شود.

روغن کاری

روغن کاری در بال اسکروها مهم است. از خرابی زودرس بال اسکرو جلوگیری می کند و با کاهش ضریب اصطکاک و با به حداقل رساندن ایجاد حرارت ناشی از حرکت اجزای بال اسکرو، عملکرد آن را افزایش می دهد. روان کننده های روغن و گریس خاصیت خنک کنندگی دارند. گرما باعث انبساط حرارتی قطعات می شود و بر دقت بال اسکرو تاثیر منفی می گذارد.

تماس اجزای فلزی با یکدیگر با روانکاری ضعیف باعث نوعی سایش سطوح فلزی در سطح میکروسکوپی می شود و تأثیرات منفی بر عملکرد بال اسکرو دارد.

افزایش دقت نصب

منظور از نصب این است که بال اسکرو در طول کار خود توسط چه تکیه گاه هایی نگهداری می شود. برای بهره مندی از دقت پیشروی که یک بال اسکرو ارائه می دهد، باید یک نصب دقیق داشته باشد. نصب نادرست باعث ایجاد نویز، لرزش، خطاهای موقعیت یابی می شود و ممکن است باعث خرابی مواد و تسریع سایش در حین کار مداوم شود. عیوب قطعات کمکی نصب شده مانند یاتاقان ها، کوپلینگ ها و براکت های مهره باید فوراً بررسی و اصلاح شود تا دقت نصب و در نتیجه دقت پیشروی حفظ شود.

مقایسه ی بال اسکرو و لید اسکرو

لیداسکروها، مانند بال‌اسکروها، حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می‌کنند. با این حال، این پیچ ها در بسیاری از جنبه ها با یکدیگر متفاوت هستند. تفاوت های آنها و همچنین جوانب مثبت و منفی هر نوع در ادامه آورده شده است.

نحوه عملکرد و ساختار

تفاوت اصلی بین بال اسکروها و لیداسکروها در نحوه انتقال بار است. بال اسکروها شامل مجموعه ای از ساچمه ها هستند که مانند بلبرینگ عمل کرده و واسطه ای بین شفت و مهره بوده و با اصطکاک کم (اصطکاک غلتشی) حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می کند. لیداسکرو دارای رزوه های مارپیچ عمیق تری در شفت محوری است و یک مهره با آن درگیر شده (با اصطکاک لغزشی) و روی یکدیگر می لغزند.

بازده

لیداسکروها معمولاً به بازده تبدیل گشتاور بال اسکروها (حدود 90 درصد) نمی رسند. تلفات انرژی ناشی از اصطکاک در لید اسکروها یکی از دلایل بازده پایین است. بال اسکروها اصطکاک لغزشی ایجاد شده توسط لیداسکروها را برطرف می کنند. اصطکاک اعمال شده بر روی اجزای بال اسکرو اصطکاک غلتشی است که در مقایسه با اصطکاک لغزشی در لیداسکروها نسبتاً کوچکتر است.

جنس مواد

لیداسکروها برای کاهش اصطکاک با موادی با خواص خود روانکاری مانند پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)، سیلیکون و گرافیت پوشش داده می شوند. با این کار اصطکاک کمتری ایجاد می شود اما بال اسکروها از موادی با استحکام و سفتی بالا مانند فولاد ضد زنگ ساخته می شوند.

ظرفیت بارگذاری

بال اسکروها ظرفیت بارگذاری بالاتری نسبت به لیداسکروها دارند. لیداسکروها برای بارهای کم تا متوسط ​​مناسب و مقرون به صرفه تر هستند.

نیروی مورد نیاز

بال اسکروها معمولاً موتورهای کوچکتری دارند زیرا نسبت به لیداسکروها انرژی کمتری مصرف می کنند.

طراحی

لیداسکروها طراحی ساده تر و فشرده تری نسبت به بال اسکروها دارند. لیداسکروها خود قفل هستند و نیازی به سیستم ترمز ندارند. اما، بال‌اسکروها برای از بین بردن عقب‌نشینی به مکانیزم‌های ترمز نیاز دارند و خودقفل نیستند. طراحی پیچیده بال اسکروها هزینه های آن را نسبت لیداسکروها افزایش می دهد.

کاربرد

بال اسکرو برای کاربردهای سنگین که نیاز به سرعت بالا، توان عملیاتی بالا، دقت بالا و زمان سرویس طولانی دارند استفاده می شود. بال اسکروها در سیستم های موقعیت یابی دقیق، در سیستم های فرمان خودرو، در وسایل نقلیه الکتریکی، در ماشین آلات مولد انرژی مانند توربین های بادی، پنل های خورشیدی و تجهیزات برق آبی، در ماشین آلات هواپیما و… استفاده می شوند.

در همین حال، لیداسکروها در کاربردهای انتقال قدرت استفاده می شود که سرعت و دقت اولویت بالایی ندارند. لیداسکروها در انتقال بار به صورت عمودی بهتر هستند. آنها در تجهیزات پزشکی، تجهیزات مواد غذایی و ماشین آلات آزمایشگاهی استفاده می شوند.

نگهداری

نگهداری بال اسکرو سخت تر از لیداسکرو است. آنها برای ماندن در شرایط عالی نیاز به روغن کاری مکرر دارند.

سر و صدا

بال اسکروها نسبت به لیداسکروها صدای بیشتری تولید می کنند.

به طور خلاصه، بال اسکروها به دلیل کارایی، قدرت، دقت و ظرفیت بارگذاری مناسب تر مورد استفاده قرار می گیرند. اگرچه به نظر می رسد که آنها ویژگی های برتری نسبت به لیداسکروها دارند، اما لیداسکروها در کاربردهایی که به نظر می رسد مقرون به صرفه تر از بال اسکرو هستند، جایگاه خود را پیدا می کنند.